多模包层泵浦大功率光纤放大器的工作原理及应用

多模包层泵浦大功率光纤放大器的工作原理及应用
摘要本文要讨论是多模包层泵浦大功率光纤放大器。

简单介绍其的基本组成及工作原理。

通过与普通光纤放大器的比较来讨论其应用上的优点和发展前景。

关键词多模包层泵浦，双包层光纤，高功率
1引言
多模包层泵浦大功率光纤放大器是一种由多模包层泵浦技术这一最近发展起来的新兴技术产物。

采用Yb3+和Er3+离子共掺杂双包层光纤，是一系列新技术、新工艺和新材料相结合的产物，是实现光纤放大器超大功率输出的技术核心。

2 多模包层泵浦光纤放大器的结构
多模包层泵浦光纤放大器的光路结构如图1所示：
3 多模包层泵浦光纤放大器的工作原理
多模包层泵浦，是将多模泵浦激光耦合到双包层光纤的内包层中，当多模泵浦光在内包层中传播时会反复穿过光纤纤芯（如图2所示），泵浦光在穿过掺有稀土元素的光纤纤芯时被吸收从而实现泵浦。

与单模纤芯泵浦不同，用于光纤放大器的双包层光纤，泵浦光主要在内包层中传播，因此，同样的纤芯参数，包层泵浦的泵浦吸收截面要小得多，所以，提高泵浦吸收效率是制造双包层光纤需要重点考虑的因素。

合理的内包层结构形状能够显著提高泵浦吸收效率，目前，已经设计并制作出了多种内包层形状的双包层光纤，这些专门设计的内包层结构和形状，使泵浦光在单位长度
内有效穿过光纤纤芯的几率大大增加。

图3是设计制作的部分双包层光纤内包层形状示意图。

另外，对于1550nm波段光纤放大器，采用铒、镱共掺的双掺杂技术，利用镱元素的高吸收和铒镱之间能量的高效传递，能够获得铒元素的高效泵浦。

图4为铒镱共掺有源光纤的泵浦吸收和能量传递简单能级示意图。

铒、镱共掺由于存在能量传递的互逆性，因此，需要尽可能快的消耗铒离子的受激状态。

减小纤芯直径，有效提高光密度，是通常的做法，这样做对低功率光纤放大器影响不大，但是，对于大功率和超大功率光纤放大器，会由于过高的光功率密度导致非线性效应，这是有害的。

对于光纤放大器的应用，双包层光纤主要用于大功率和超大功率情况，双包层光纤小芯径纤芯设计已经成为一种制约因素。

采用高浓度铒单掺杂可能是解决小芯径问题的一种途径。

我们知道，阻碍铒元素掺杂浓度进一步提高的主要原因，是铒元素在掺杂过程中，不可能达到理想的均匀分布，这样会造成铒掺杂的局部浓度过高，从而导致局部铒元素间距过小，相邻铒元素之间出现非辐射交叉弛豫过程，这种局部的过高浓度，还会导致玻璃基质中产生结晶现象。

所以，人们正在发展新的技术，使铒元素的掺杂非常均匀，在不引起明显的非辐射交叉弛豫过程的情况下，大幅度提高铒元素的掺杂浓度，使采用相对较大
的纤芯直径成为可能。

需要说明的是，在其他参数不变的情况下，增大双包层光纤纤芯直径，也能提高泵浦光的吸收效率。

所以，实现高浓度铒单掺和增大纤芯直径，可以获得与铒镱共掺相当甚至更高的泵浦吸收效率，从而发展性能更好的大功率光纤放大器。

目前，通过多种途径优化设计制造的双包层光纤，多模包层泵浦效率已经与单模纤芯泵浦的效率相当。

将多模泵浦激光高效耦合到双包层光纤的内包层中，是多模包层泵浦的关键技术之一，光功率合成器件(Combiner)是实现这种耦合的关键元件。

图5是多模包层泵浦光纤放大器使用的一种(6+1)×1 Combiner 的标准结构。

图5 (6+1)×1 Combiner结构示意图
4应用
4．1多包层泵浦高功率光放的应用及其优点
光纤放大器作为现代光通信的基础器件之一，不仅是大容量长距离全光通信网存在的前提，还会在光纤网络不断延伸和扩展的进程中发挥越来越重要的作用。

下面对传统普通光纤放大器的代表掺铒光纤放大器（EDFA）与多模包层泵浦大功率光纤放大器的代表铒镱共掺放大器（EYDFA）在光纤到户（FTTH）上的应用进行比较。

采用传统普通EDFA技术的解决方案
如图6所示，信号先在第一级得到放大后，分成几路进入第二级的若干个放大器，使功率得到进一步的提升。

最终放大后的功率可进行功率分配。

该方案存在的主要问题主要是：
1、由于采用了多级结构，所以光学结构十分复杂，而且，由于内部采用了多个激光器，所以相应的控制方案十分复杂。

2、由于多级结构在两级光放之间插入了分波器，相当于在光路中插入了一定的损耗，所以整个EDFA的噪声指数将会恶化。

3、另外，传统EDFA采用单模纤芯泵浦技术，高输出功率的单模泵浦激光器在技术和成本上均受到极大限制。

4、整台EDFA成本很高，所以价格昂贵。

图6 采用传统EDFA工艺的级联式放大示意图
采用基于镱/铒共掺双包层光纤的包层泵浦的方案
采用Yb3+（Yb3+的吸收谱如图7所示）和Er3+离子共掺杂双包层光纤。

该技术是一系列新技术、新工艺和新材料相结合的产物，是实现光纤放大器超大功率输出的技术核心，代表了光纤放大器制作技术的发展方向。

传统EDFA采用单模纤芯泵浦技术，实现更高输出功率在技术和成本上均受到极大限制，目前国内外采用这种技术途径制作的光纤放大器，输出功率一般限制在23dBm（约0.2W）以下。

而多模包层泵浦技术就是实现光纤放大器超大功率输出的最佳选择。

图8为一个包层泵浦高功率光放大器的典型光学结构。

图7 镱的吸收谱
图8镱/铒共掺包层泵浦光放的典型结构
有此可见多包层泵浦高功率光放的主要优点如下：
1、与单模纤芯泵浦技术相比，多模包层泵浦技术具有明显的优势，采用多模包层泵浦技术，是将泵浦光输入至横截面数百倍至数千倍于单模光纤的多模双包层光纤之中，因此，同样的输入光密度，多模包层泵浦可以允许数百倍至数千倍于单模泵浦的输入，从而轻易实现光纤放大器的大功率或超大功率输出。

2、采用简单光学结构即可实现，所以应用形式简单。

如图9所示。

图9 双包层泵浦高功率光纤放大器示意图
3、泵浦的整体成本大幅度降低。

表一为两种方案光放的简单比较：
表一普通EDFA和EYDFA的简单比较
可以预见，超大功率光纤放大器的广泛应用，将对光通信的发展产生深远影响，其市场前景和经济、社会效益良好。

4．2影响多模包层泵浦光纤放大器技术参数
1、泵浦波长
单模纤芯泵浦所使用的泵浦激光器，其输出波长在980nm附近，与铒离子的光谱吸收峰吻合，由于该吸收峰陡直狭窄，所以，吸收效率对泵浦波长非常敏感，需要对泵浦波长采取严格的波长稳定措施，这大大增加了单模泵浦激光器的制作成本。

多模泵浦激光器容易获得大功率输，所以，包层泵浦使用吸收率较低但变化比较平坦的915nm至960nm光谱吸收区（见图10）这样，降低了对泵浦激光器输出波长稳定性的要求，所以，多模包层泵浦不需要采取泵浦波长稳定措施，极大地降低了单位泵浦功率的成本。

图10 铒镱双掺双包层光纤的吸收光谱
2、泵浦功率和输出功率
对于输出功率大于1瓦(30dBm)的大功率光纤放大器来说，由于泵浦功率和输出功率都很高，因此对光纤熔接质量要求更好，对光纤元件的要求更高，对光纤盘绕更讲究。

由于输出功率很高，一般需要将输出信号分成多路进行传输。

3、非线性效应问题
对于大功率光纤放大器，由于光纤中的光功率密度很高，因此，制作和使用这种大功率光纤放大器时，非线性效应成为需要重视的问题。

5 结束语
多模包层泵浦大功率光纤放大器可以获得很高的输出功率，可以大幅度降低单位输出功率的成本，能够获得长寿命。

代表了大功率光纤放大器的发展方向。